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超聲波空化作用是指存在于液體中的微氣核空化泡)在聲波的作用下振動(dòng),當(dāng)聲壓達(dá)到定值時(shí)發(fā)生的生長和崩潰的動(dòng)力學(xué)過程??栈饔冒惆?個(gè)階段:空化泡的形成、長大和劇烈的崩潰。當(dāng)盛滿液體的容器當(dāng)通入超聲波后,由于液體振動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡,即空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播形成的負(fù)壓區(qū)生長,而在正壓區(qū)迅速閉合,從而在交替正負(fù)壓強(qiáng)下受到壓縮和拉伸。在氣泡被壓縮直至崩潰的瞬間,會(huì)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)壓力,般可達(dá)幾十兆帕至上百兆帕。Suslick等人測(cè)得:空化可使氣相反應(yīng)區(qū)的溫度達(dá)到5200K左右,液相反應(yīng)區(qū)的有效溫度達(dá)到1900K左右,局部壓力在5.O5×10kPa,溫度變化率達(dá)10。K/s,并伴有強(qiáng)烈的沖擊波和時(shí)速達(dá)400km的微射流。這種巨大的瞬時(shí)壓力,可以使懸浮在液體中的固體表面受到急劇的破壞。通常將超聲波空化分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬間空化2種類型:穩(wěn)態(tài)空化是指在聲強(qiáng)較低(般小于10w/cm)時(shí)產(chǎn)生的空化泡,其大小在其平衡尺寸附近振蕩,生成周期達(dá)數(shù)個(gè)循環(huán)。當(dāng)擴(kuò)大到使其自身共振頻率與聲波頻率相等時(shí),發(fā)生聲場(chǎng)與氣泡的大能量耦合,產(chǎn)生明顯的空化作用。瞬態(tài)空化則是指在較大的聲強(qiáng)(般大于1Ow/cm)作用下產(chǎn)生的生存周期較短的空化泡(大都發(fā)生在1個(gè)聲波周期內(nèi))。超聲波清洗工作是由位于清洗工件表面或附近的空化氣泡來完成的,超聲空化作用主要表現(xiàn)如下幾個(gè)方面:
(1) 存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng),當(dāng)聲壓達(dá)到定值時(shí),氣泡將迅速變大,然后迅速閉合,在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波能在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓的壓力,破壞不溶性污物而使它們分散在清洗液中。
(2) 蒸汽型空化對(duì)污物層的直接反復(fù)沖擊,方面破壞污物與清洗件表面的吸附,另方面也會(huì)引起污物層的疲勞破壞而與清洗件表面脫離。
(3) 氣體型氣泡的振動(dòng)對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗,污物旦有縫可鉆,氣泡就可以“鉆入”裂縫中作振動(dòng),使污層脫落。
(4) 對(duì)于有油污包裹住的固體粒子,由于超聲空化的作用,兩種液體在界面迅速分離而乳化,固體粒子即行脫落。
(5) 超聲空化在固體和液體界面上所產(chǎn)生的速微射流能夠除去或削落邊界污層,增加攪拌作用,加快可溶性污物的溶解,強(qiáng)化化學(xué)清洗的清洗作用。
超聲波清洗的特點(diǎn):
(1) 超聲波清洗的特點(diǎn)是速度快、質(zhì)量、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,它特別用于表面形狀復(fù)雜的工件。如對(duì)精密工件上的空穴、狹縫、凹槽、微孔、暗洞等處,通常的洗刷方法難以見效,使用超聲清洗卻可以達(dá)到良好的效果。
(2) 超聲波清洗的另個(gè)特點(diǎn)是對(duì)質(zhì)地較硬、聲反射強(qiáng)的材料清洗效果較好(如金屬、玻璃、陶瓷、塑料)。
(3) 清洗效果好,清潔度且全部工件清潔度致。
(4) 清洗速度快,提生產(chǎn)效率,不須人手接觸清洗液,安全可靠。
(5)對(duì)深孔、細(xì)縫和工件隱蔽處亦可清洗干凈。
(6)對(duì)工件表面無損傷,節(jié)省溶劑、熱能、工作場(chǎng)地和人工等。
超聲波的廣泛的運(yùn)用于各個(gè)域就是應(yīng)用了其空化作用以及其空化伴隨著機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等等,機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用,前者主要表現(xiàn)在非均相反應(yīng)界面的增大;后者主要是由于空化過程中產(chǎn)生的溫壓使得分子分解、化學(xué)鍵斷裂和產(chǎn)生自由基等。利用機(jī)械效應(yīng)的過程包括吸附、結(jié)晶、電化學(xué)、非均相化學(xué)反應(yīng)、過濾以及超聲清洗等,利用化學(xué)效應(yīng)的過程主要包括有機(jī)物降解、分子化學(xué)反應(yīng)以及其他自由基反應(yīng)。
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